高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧装置设计分析及试验丨JME封面文章
封面文章
高速磁悬浮鼓风机自本世纪初面试以来，因其具有高效高能量密度、清洁无油、可测可控等优势而得到广泛应用，磁悬浮电机行业在近10年内取得爆发式的发展。
由于采用磁轴承支撑和高速直驱的工作方式，高速磁悬浮鼓风机相比于传统鼓风机可以显著提高工作效率，具有清洁、静音、维护费用低，无需油膜润滑等优点，但是相对于传统鼓风机，高速磁悬浮鼓风机对涡轮叶片的锁紧装置有特殊的要求。
北京航空航天大学的董宝田、王坤、韩邦成、郑世强在《机械工程学报》2019年3期发表了《高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧装置设计分析及试验》一文。作为封面文章，该文提出了一种全新的高功率高转速涡轮的锁紧方法，并在一台额定功率为315 kW，额定转速为30 000 r/min的高速磁悬浮鼓风机上进行了验证。试验结果表明了本方法的有效性和可行性。
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试验方法
本文通过分析磁悬浮鼓风机的特性，指出高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧机构所需要满足的条件，即锁紧可靠、涡轮高强度、高对中精度和涡轮可拆卸。并指出传统的鼓风机涡轮安装方式只能满足其中的几条要求，不能全部满足。
针对高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧机构的要求，我们设计了一个全新的高转速涡轮的锁紧方法，并应用到一台为315 kW，额定转速为30 000 r/min的高速磁悬浮鼓风机上进行了验证。具体过程为：首先通过径向和轴向的全主动磁悬浮轴承悬浮起转子，然后给电机升降速，看叶轮是否工作稳定。在一次升速试验中，当转速达到4 000 r/min时，磁轴承因为扰动突然失去稳定悬浮状态，导致转子轴以4 000 r/min的转速跌落到备用机械轴承上。再一次升速时发现转子的动平衡完全被破坏，拆机后发现叶轮已经松动了。
通过分析得出原有锁紧机构的抗冲击载荷能力较弱的问题，针对这个问题对后续的结构进行了改进，改进结构后的升速试验中，涡轮一直工作稳定没有再松动。
锁紧机构设计方案
转子支撑情况及其有限元模型
液压拉伸器、涡轮、螺杆等实物照片
试验结果
本文中改进后的高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧机构，在实际应用中，已升速至21000rpm转速，工作稳定，没有出现故障。实际使用证明了结构的有效性。
重要结论
本文提出了高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧机构所需要满足的条件，即锁紧可靠、涡轮高强度、高对中精度和涡轮可拆卸。
针对涡轮锁紧装置在加速过程、稳速运行过程、降速过程和意外跌落过程这四种工况下的受力分析来讨论了其工作原理与可靠性。
通过应用试验，发现了原有锁紧机构的抗冲击载荷能力较弱的问题，并且通过结构改进，使其满足高速磁悬浮鼓风机所有工况下的有效锁紧。本文的研究可以对相似机构的设计与分析提供参考。
前景与应用
本文提出的高速磁悬浮鼓风机涡轮锁紧机构已申请发明专利，现在已经处于公开阶段。该结构可应用于高速磁悬浮鼓风机的实际应用中。
主创简介
董宝田（1987--），男，山西忻州人，博士研究生，2012年于山东大学获得硕士学位，主要从事高速磁悬浮电机结构设计，多物理场耦合仿真分析的研究。
王坤（通信作者）（1982--），男，黑龙江伊春人，博士，讲师，2010年于北京航空航天大学机械工程及自动化学院获得博士学位，主要从事磁悬浮技术及应用、磁悬浮电机、磁悬浮飞轮及磁悬浮控制力矩陀螺技术等机电一体化技术的研究
韩邦成（1974--），男，辽宁灯塔人，博士，研究员，2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事磁悬浮技术及应用、磁悬浮电机、磁悬浮飞轮及磁悬浮控制力矩陀螺技术等机电一体化技术的研究。
郑世强，（1981--），男，副教授，博士生导师，2011年博士毕业于北京航空航天大学，主要研究方向为航天器姿态控制执行机构、高速磁悬浮电机技术等。
课题组在研项目及获得成果
课题组隶属于“北京航空航天大学惯性技术重点实验室”和“北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室”。
课题组依托2010年国家财政部的重大科技成果转化项目——“大功率高速高能量密度永磁电动机”和2012年国际科技部的重大科学仪器设备开发专项——“超高真空大抽速磁悬浮复合分子泵研制与应用示范”，从2010年开展了磁悬浮高速永磁电机和磁悬浮复合分子泵的研制工作，截止到2017年底，已经先后成功研制出额定功率30kW、100 kW和315 kW的高速磁悬浮电机系列化样机，和抽速在4 000 L/s、2500L/s和700L/s的三种抽速的磁悬浮复合分子泵产品。
图1 北航研制的30kW48000rpm和315kW30000rpm磁悬浮电机
图2 北航研制的700L/s和4000L/s磁悬浮分子泵及其应用
团队带头人介绍
刘刚，男，汉族，1970年3月生，工学博士，教授，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院党委书记，教育部长江学者特聘教授，中国自动化学会控制理论专业委员会委员、中国电工技术学会微特电机分委会委员、国防科技创新团队和国家自然科学基金委创新研究群体的核心骨干和学术带头人之一。
主要从事磁悬浮惯性执行机构和惯性稳定平台、高速磁悬浮电机及应用、超高灵敏原子磁场测量研究等方面的研究工作，以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖1项。
近两年团队发表文章
[1] Yin Zhang, Shiqiang Zheng, and Jiancheng Fang. Surge Detection Approach for Magnetically Suspended Centrifugal Compressors Using Adaptive Frequency Estimator. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, V65(7): 5733-5742.
[2] Yin Zhang, Shiqiang Zheng. Surge Vibration-induced Nonlinear Behavior Regulation of Power Amplifier for Magnetic Bearing in a 315kW Centrifugal Compressor. ASME Journal of Vibration and Acoustics, 2018, V140(2): 021003-1-021003-9.
[3] Liu Gang, Mao Kun, Investigation of the rotor temperature of a turbo-molecular pump with different motor drive methods. Vacuum, 2017, 146: 252-258.
[4] Mao Kun,Liu Gang,An improved braking control method for the magnetically levitated TMP with a fast transient response. Vacuum, 2018,148: 312-318.
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